DE1231931B - Selbstabgleichender Beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIp

Deutsche Kl.: 42 ο-17

Nummer: 1231931

Aktenzeichen: L 45090IX b/42 ο

Anmeldetag: 12. Juni 1963

Auslegetag: 5. Januar 1967

Die Erfindung betrifft einen selbstabgleichenden Beschleunigungsmesser mit Temperaturausgleich.

Das Ausgangssignal eines Beschleunigungsmessers soll weitgehend unabhängig von Temperaturschwankungen sein. Dies läßt sich bei einem Beschleunigungsmesser weitgehend durch rein mechanische Maßnahmen erreichen. So ist in der deutschen Patentschrift 1125 690 ein Beschleunigungsmesser beschrieben, der ein in einer Flüssigkeit schwebendes Pendel aufweist, dessen rücktreibendes Moment von einem temperaturempfindlichen Magneten geliefert wird. Massenmittelpunkt, Auftriebsmittelpunkt und Drehachse des Pendels sind hierbei relativ zueinander so angeordnet, daß die Änderung der Auftriebskraft infolge von Temperaturschwankungen der Dichte der Tragflüssigkeit durch die Temperaturschwankungen der magnetischen Feldstärke gerade ausgeglichen werden.

Es wurde jedoch gefunden, daß diese rein mechanische Temperaturkompensation für Präzisionsforderungen nicht ausreicht. Ziel der Erfindung ist deshalb die Schaffung einer zusätzlichen Abgleichvorrichtung zur Kompensation der Abhängigkeit des Ausgangssignals von Temperaturschwankungen.

Erfindungsgemäß ist der Rückstellspule des Beschleunigungsmessers, dessen ohmscher Widerstand temperaturabhängig ist, ein temperaturunabhängiger Widerstand parallel geschaltet. Die Größe dieses Widerstandes hängt allein von den Temperaturkoeffizienten des Innenwiderstandes der Meßvorrichtung und des Widerstandes der Elektromagnetwicklung ab.

Tm Gegensatz zu der bekannten Verwendung eines temperaturabhängigen Widerstandes zum Ausgleich von Temperaturschwankungen beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, daß die lineare Widerstandsänderung der Magnetwicklung mit der Temperatur indirekt zur Kompensation einer im entgegengesetzten Sinne erfolgenden linearen Änderung des Meßstromes in Abhängigkeit von der Temperatur verwendet werden kann. Dies gilt trotz der Tatsache, daß die Feldstromstärke im Elektromagneten nicht unmittelbar vom ohmschen Widerstand der Magnetwicklung abhängt, sondern von einem Regler jeweils in solcher Stärke geliefert wird, daß der Beschleunigungsmesser sich selbst abgleicht. Der erfindungsgemäß verwendete konstante Nebenschlußwiderstand bewirkt jedoch eine Stromänderung, die vom ohmschen Widerstand der Wicklung abhängig ist. Bei Verwendung eines Beschleunigungsmessers, dessen Meßstrom einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, erzeugt also der positive Temperaturkoeffizient des Wicklungs-Selbstabgleichender Beschleunigungsmesser

Anmelder:

Litton Industries, Inc.,

Beverly Hills, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,

München 22, Widenmayerstr. 46

Als Erfinder benannt:

Bruce A. Sawyer,

Los Angeles, Calif. (V. St. A.)

Widerstandes einen Strom mit positivem Koeffizienten im Nebenschlußwiderstand. Bei geeigneter Wahl des Nebenschlußwiderstandes ergibt sich so ein Gesamtstrom in der Parallelschaltung, der temperaturunabhängig ist. Unter den Abgleichbedingungen ist aber der Meßstrom gleich der Summe der Stromstärken in der Parallelschaltung. Steigt also die Temperatur, so erhöht sich die Gesamtstromstärke, da der Wicklungswiderstand zunimmt, und umgekehrt. So wird eine Kompensation des negativen Temperaturkoeffizienten des Meßstromes bewirkt.

Vorstehend wurde natürlich angenommen, daß die Beschleunigung konstant ist. Ferner ist vorausgesetzt, daß die verwendete Magnetwicklung zur Erzeugung der Rückstellkräfte aus Kupfer oder einem anderen Stoff mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes besteht. Falls der Beschleunigungsmesser selbst einen positiven Temperaturkoeffizienten haben sollte, so könnte man für die Rückstellwicklung ein Material mit negativem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes verwenden. Im allgemeinen wird man aber die mechanische Konstruktion des Beschleunigungsmessers so ausführen, daß der Meßstrom ohne Kompensation im ganzen Meßbereich einen leicht negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, so daß eine Rückstellspule mit Kupferwicklung verwendet werden kann. Hierdurch wird die Wahl des Nebenschlußwiderstandes erleichtert.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Hierin ist

F i g. 1 eine isometrische Darstellung eines Beschleunigungsmessers in zerlegtem Zustand,

609 750/118

F i g. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht linie zwischen Massenmittelpunkt und Auftriebs-

des Beschleunigungsmessers nach F i g. 1, mittelpunkt verlagert werden, indem eine oder

F i g. 3 ein schematisches Schaltbild der erfindungs- mehrere dieser Schrauben um geringe Beträge

gemäßen Kompensationseinrichtung und erschwert oder erleichtert werden. Ferner kann jede

F i g. 4 ein Ersatzschaltbild der Einrichtung. 5 Schraube mehr oder weniger verstellt werden, wo-

Zur Erläuterung der in F i g. 3 und 4 dargestellten durch Massenmittelpunkt und Auftriebsmittelpunkt

Erfindung erscheint es zweckmäßig, zunächst kurz parallel zur empfindlichen Achse verschoben werden,

den in F i g. 1 und 2 gezeigten Beschleunigungs- Hierdurch können kleinere Herstellungsungenauig-

messer zu schildern. keiten in der Massenverteilung und Gestaltung des

Der Beschleunigungsmesser nach F i g. 1 und 2 io Pendels beim Zusammenbau leicht ausgeglichen

besitzt ein Gehäuse 11 mit einem Deckel 13. Im werden.

Gehäuse 11 schwebt ein drehbares Pendel 15, das Die Temperaturabhängigkeit eines solchen Bein Steinlagern 17 und 19 gelagert ist. Ferner befinden schleunigungsmessers beruht vor allem auf zwei sich im Gehäuse zwei Fühlglieder 21 und 23, die Ursachen, nämlich der Abnahme der magnetischen je aus einer am Pendel 15 befestigten Induktions- 15 Feldstärke des Magneten 33 mit der Temperatur spule 25 und einer am Gehäuse befestigten Feld- und der Ausdehnung der Tragflüssigkeit mit zuspule28 bestehen. Das zum Abgleich erforderliche nehmender Temperatur. Es muß nun der Einfluß rückdrehende Drehmoment wird von zwei Magnet- dieser Faktoren auf die Meßgröße, nämlich den in anordnungen 29 und 31 erzeugt, die je einen Dauer- den Rückstellwicklungen fließenden Strom untermagnet 33 im Deckel 13 und eine Wicklung 35 am 20 sucht werden.

Pendel 15 umfassen, derart, daß diese beiden Teile Die Abnahme der magnetischen Feldstärke bei

fluchten, wenn der Beschleunigungsmesser geschlos- zunehmender Temperatur bedeutet, daß zur Erzeu-

sen ist. gung der gleichen Rückstellkraft eine höhere Strom-

Das Pendel 15 spricht auf Beschleunigungen längs stärke in den Rückstellwicklungen 35 erforderlich ist.

seiner empfindlichen Achse A-A an, d. h., es dreht 25 Wenn die Dichte der verdrängten Flüssigkeit mit

sich aus seiner Ruhelage um die durch die Lager 17 der Temperaturzunahme abnimmt, so verringert sich

und 19 bestimmte Drehachse, wodurch die Fühl- das durch die Auftriebskraft erzeugte Drehmoment,

glieder 21 und 23 ein Fehlersignal abgeben, das das über den Hebelarm zwischen der Drehachse und

die Regelabweichung darstellt. Wie weiter unten dem Massenmittelpunkt des Pendels angreift. Bei

noch beschrieben wird, gelangt dieses Fehlersignal 30 einer Temperaturerhöhung ist also wegen der Aus-

nach Verstärkung und Demodulation auf die Rück- dehnung der Tragflüssigkeit ein geringerer Strom

Stellmagnete 29 und 31, die auf das Pendel ein rück- zur Erzeugung der gleichen Rückstellkraft erforderlich,

drehendes Moment derart ausüben, daß es im we- Es sei z. B. der Einfluß der Schwerebeschleunigung

sentlichen in der Ruhelage verbleibt. bei der Anordnung nach F i g. 2 betrachtet, bei der

Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß das Pendel so 35 die empfindliche Achse A-A wie gezeigt vertikal vergebaut ist, daß eine die Drehachse schneidende und läuft. Die Schwerebeschleunigung sucht ein Drehzwischen dem Massenmittelpunkt CM und dem Auf- moment entgegen dem Uhrzeigersinn zu erzeugen, triebsmittelpunkt CB gezogene Linie sowohl zur da der Massenmittelpunkt CM des Pendels links empfindlichen Achse A-A als auch zur Drehachse, von der Drehachse liegt. Der Auftrieb erzeugt ebendie durch die Lager 17 und 19 definiert ist, senkrecht 40 falls ein Drehmoment entgegen dem Uhrzeigersinn, ist. Infolgedessen spricht der Beschleunigungsmesser und beide Drehmomente müssen durch die Stromauf gegenseitige Kopplungen nicht an, die normaler- stärke in den Rückdrehspulen 35 ausgeglichen werden, weise durch Änderung der Tragflüssigkeitsdichte Wenn nun die Temperatur zunimmt, so verringert wegen Temperaturschwankungen der Flüssigkeit ent- sich einerseits die magnetische Feldstärke und damit stehen. Wenn z. B. die Temperatur der Tragflüssig- 45 die rücktreibende Kraft, andererseits aber auch der keit sich auf dem vorgeschriebenen Normalwert Auftrieb wegen der Ausdehnung der Tragflüssigkeit, befindet, so ist die Masse des Pendels im wesentlichen Durch geeignete Bemessung der Hebelarme I₁ und /₂ gleich der Masse der verdrängten Flüssigkeit, d. h. läßt sich eine weitgehende gegenseitige Kompensation das Pendel schwebt. Wenn nun die Dichte der Trag- dieser beiden Temperatureinflüsse erreichen. Diese flüssigkeit sich infolge einer Temperaturabweichung 50 Kompensation ist aber aus noch zu erörternden vom vorgeschriebenen Wert ändert, so tritt eine Gründen nicht vollständig, so daß der beschriebene kleine Differenz zwischen der Pendelmasse und der Beschleunigungsmesser immer noch einen leicht Masse der verdrängten Flüssigkeit auf. Wenn die negativen Temperaturkoeffizienten des Meßstromes Drehachse die Verbindungslinie zwischen dem Mas- besitzt.

senmittelpunkt und dem Auftriebsmittelpunkt nicht 55 Dieselben Betrachtungen gelten nicht nur für die

schneiden würde, so würde die bei senkrecht zur Schwerebeschleunigung, sondern auch für eine andere

empfindlichen Achse verlaufenden Beschleunigungen Beschleunigung in Richtung der Achse A-A.

auftretende Kraft die empfindliche Achse des Be- Wie in der erwähnten Patentschrift 1125 690 nach-

schleunigungsmessers zu drehen suchen, was zu gewiesen wurde, gilt für den mechanischen Ausgleich

Fehlanzeigen führen könnte. ^6o der beiden Drehmomente folgende Gleichung:

Um zu gewährleisten, daß die Drehachse nicht

von der Verbindungslinie des Massenmittelpunktes / ₌ L· π 4. /). Q)

und des Auftriebsmittelpunktes abweicht und den s
Schnittpunkt dieser Linie mit der Drehachse an eine

ganz bestimmte Stelle legen zu können, sind gemäß ⁶5 Hierin bedeuten I₁ und I₂ die Abstände des Massen-

F i g. 1 vier Trimmschrauben 37 im Pendel vor- mittelpunktes bzw. des Auftriebmittelpunktes von

gesehen. Der Massenmittelpunkt des Pendels kann der Drehachse des Pendels, r den Änderungskoeffi-

also um einen kleinen Betrag längs der Verbindungs- zienten der magnetischen Feldstärke mit der Tempe-

ratur und s den räumlichen Ausdehnungskoeffizienten der Tragflüssigkeit.

Wenn Gleichung (1) erfüllt ist, ergibt sich ein exakter Temperaturausgleich. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung soll jedoch der resultierende Temperaturkoeffizient des Meßstromes negativ sein. Demgemäß soll der Einfluß der Ausdehnung der Tragflüssigkeit denjenigen der Abnahme der Magnetfeldstärke mit der Temperatur überwiegen. Der Abstand I₂ soll also etwas größer als nach Gleichung (1) sein, bzw. dieser Abstand soll nicht kleiner als der durch die Formel angegebene Grenzwert sein.

Die Anordnung der Rückstellvorrichtung in F i g. 2 entspricht dem Prinzip des dynamischen Lautsprechers. Die bewegliche Spule 35 befindet sich also im ringförmigen Luftspalt zwischen dem inneren Polschuh 57 und dem äußeren Polschuh 60 eines Dauermagneten 33, dessen magnetischer Kreis über den Deckel 13 geschlossen ist. Wenn ein Gleichstrom die Spule 35 durchfließt, so sucht sie sich je nach der Stromrichtung in der einen oder anderen Richtung zu verschieben.

Wie aus F i g. 3 ersichtlich ist, erzeugen die Spulen 45, 47, 49 und 51, aus denen das Fühlglied 28 besteht, einen Magnetfluß, der durch die Induktionsspulen 25 derart hindurchgeht, daß er verschwindet, wenn das Pendel sich genau in seiner Ruhelage befindet. Wenn sich das Pendel infolge einer auftretenden Beschleunigung dreht, so werden die beiden Induktionsspulen in entgegengesetzter Richtung verschoben. Infolgedessen verschwindet der Magnetfluß insgesamt nicht mehr, und in den Spulen 25 ergibt sich ein resultierender Wechselstrom, der dem Demodulator und Verstärker 55 zugeführt wird. Der Regelkreis wird durch die Ausgangsleitung 56 geschlossen, welche den Demodulator und Verstärker 55 mit den Rückstellspulen 35 verbindet. Im letzteren fließt ein Gleichstrom, der ausreicht, um das Pendel in seine Ruhelage zurückzubringen. Die Stärke des Rückstellstromes wird als Maß für die gemessene Beschleunigung verwendet. Hierzu dient ein Ausgangswiderstand 63, an den eine Auswertevorrichtung 61 angeschlossen ist. Als solche kann beispielsweise ein Autopilot od. dgl. dienen.

Erfindungsgemäß ist ein ohmscher Widerstand 65 zwecks Temperaturausgleich parallel zu den Rückstellspulen 35 geschaltet. Es wurde gefunden, daß bei einem negativen Temperaturkoeffizienten des Beschleunigungsmessers und positivem Temperaturkoeffizienten des Spulenwiderstandes der Widerstand 65 einen Abgleich erster Ordnung bewirken kann, wenn er einen festen Wert hat.

Der Wert des Abgleichwiderstandes 65 kann aus dem Ersatzschaltbild der F i g. 4 berechnet werden. An den Verstärker 55 ist die Parallelschaltung der ίο Rückstellspulen 35 und des Widerstandes 65 angeschlossen. Die Rückstellspulen kann man sich durch die Reihenschaltung einer Induktivität L und eines ohmschen Widerstandes R ersetzt denken. Der Widerstand 65 hat den Wert R₃. Die Ausgangsspannung wird an dem mit der Parallelschaltung in Reihe geschalteten ohmschen Widerstand abgenommen.

Es seien zuerst die Verhältnisse ohne den Widerstand Rs betrachtet. Dann gelten die folgenden Gleichungen:

Ir = I₀(I-UAT), (2)

It = Ir. (3)

Hierin ist It der durch den Ausgangswiderstand 63 fließende Gesamtstrom; Ir der in den Spulen 35 fließende Strom; ΔΤ die Temperaturänderung; α der Temperaturkoeffizient des Beschleunigungsmessers und I₀ die Stromstärke bei der Bezugstemperatur, gegen welche die Temperaturänderung Δ Τ gemessen wird.

Ist der Nebenschlußwiderstand R_s vorhanden, so gilt die Gleichung (3) nicht mehr, und es ergeben sich folgende Beziehungen:

35

It = Is+ Ir, (4)

R= R₀(I+ bAT); (5)

hierbei ist I_s der Strom im Widerstandes; R der Widerstand der Spulen 35; R₀ der Widerstand der Spule 35 bei der Bezugstemperatur; b der Temperaturkoeffizient des ohmschen Widerstandes R.

Die Gleichung (2) bleibt weiterhin gültig, da so lange ein Strom in den Rückstellspulen fließt, bis der Gleichgewichtszustand wieder erreicht ist.

Durch Einsetzen in Gleichung (4) ergibt sich folgende Umformung:

Ir +

Il

Io

Il h

Rs IrR,
(1 - a AT)

I ₊ A ₊

Rs

Rs

A₍

Rs

(1-aAT + bAT-abAF¹),

Rs

Für kleinere Temperaturschwankungen ΔΤ kann woraus sich ergibt: das Glied mit ab AT² vernachlässigt werden. Soll

nun -=?- unabhängig von der Temperatur werden, so muß folgende Beziehung gelten:

R₈=R₀[^-I].

(11)

Rs

Es besteht also eine ganz bestimmte Beziehung AT=O, (10) zwischen dem ohmschen Widerstand der Rückstell

spulen, dem Nebenschlußwiderstand, dem Temperatur-

koeffizienten des Stromes im Beschleunigungsmesser und dem Temperaturkoeffizienten des Spulenwiderstandes, bei deren Erfüllung der resultierende Strom unabhängig von der Temperatur ist. In der Praxis werden Messungen am fertigen Beschleunigungsmesser ohne den Nebenschlußwiderstand bei zwei verschiedenen Temperaturen vorgenommen, wobei in beiden Fällen eine konstante Beschleunigungskraft angewandt wird. Aus den Meßergebnissen läßt sich der erforderliche Wert des Abgleichwiderstandes leicht berechnen.

Es läßt sich ferner leicht zeigen, daß der Widerstand R_s des Widerstandes 65 mindestens die Hälfte des durch Gleichung (11) gegebenen Wertes sein muß. Ist der Wert R_s halb so groß wie gemäß Gleichung (11), so hat der Beschleunigungsmesser einen Temperaturkoeffizienten +α, während ganz ohne einen solchen Abgleichwiderstand der Temperaturkoeffizient gemäß Gleichung (2) den Wert —a hat. Damit überhaupt eine Verbesserung der Eigenschaf ten. des Beschleunigungsmessers eintritt, muß also der Widerstand 65 mindestens den Wert

haben. Bei allen größeren Widerstandswerten bis zum Wert unendlich ergibt sich eine gewisse Verbesserung. Die beste Kompensation gilt für den oben angegebenen Wert (11). Ist Rs kleiner als der angegebene Grenzwert, so ergibt sich ein größerer positiver Temperaturkoeffizient als der ursprüngliche negative Koeffizient. Die erfindungsgemäße Anordnung erfordert nur eine kleine Änderung der bekannten Beschleunigungsmesser und bewirkt trotzdem eine erhebliche Verminderung der Temperaturempfindlichkeit. Der Kompensationswiderstand braucht nicht im Beschleunigungsmesser selbst untergebracht zu sein und kann auch eine andere Temperatur aufweisen, wenn er wirklich temperaturunabhängig konstruiert ist.

30

35 Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Beschleunigungsmeßgerät beschränkt, sondern kann auch auf einen Beschleunigungsmesser mit Kräftegleichgewicht statt des hier verwendeten Drehmomentgleichgewichtes angewandt werden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Selbstabgleichender Beschleunigungsmesser mit einer Rückstellspule, deren Temperaturkoeffizient ihres ohmschen Widerstandes das entgegengesetzte Vorzeichen wie der Temperaturkoeffizient der Meßgröße hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückstellspule (35) ein temperaturunabhängiger ohmscher Widerstand (65) parallel geschaltet ist.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelwiderstand mindestens den Wert

A[A-I
2 U

hat, wobei R₀ der ohmsche Widerstand der Rückstellspule bei einer Bezugstemperatur, α der Temperaturkoeffizient der Meßgröße, b der Temperaturkoeffizient des Widerstandes der Rückstellspule sind.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelwiderstand folgenden Wert hat:

In Betracht gezogene Druckschriften:
Buch von P f 1 i e r, »Elektrische Messung mechanischer Größen«, 1956, S. 18 bis 20.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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